RS66534B1 - Uređaj za preradu tečnosti i postupak prerade tečnosti pomoću ovog uređaja - Google Patents

Description

Opis

Oblast pronalaska

Pronalazak spada u oblast modifikacije vode, posebno u svrhu uklanjanja mikroorganizama i odnosi se na uređaj za preradu tečnosti i postupak prerade tečnosti upotrebom ovog uređaja.

Trenutno stanje tehnike

Problem uklanjanja mikroorganizama primenom kavitacije sa specijalno oblikovanom mlaznicom i ulaznim telom koje povećava efikasnost kavitacije rešava se u dokumentu CZ303197, gde se, međutim, ne smatra uticaj plazme niske temperature. U uređaju, koji je ovde opisan, dolazi do kavitacije usled smanjenja pritiska iza suženog poprečnog preseka sa posledičnim stvaranjem superkavitacije praćene ne tako velikom površinom vodene pare.

Veća efikasnost u uklanjanju mikroorganizama postiže se primenom plazma tehnologija. Princip je da se u oblast superkavitacije ubacuju elektrode visokog napona. Po svim do sada poznatim konstrukcijama elektrode su postavljene na način da elektromagnetno polje ima pravougaoni pravac na smer protoka tečnosti.

Poznat je čitav niz tehnologija koje se koriste za preradu tečnosti plazmom, eventualno praškastim materijalima koji su dispergovani u tečnosti. To su uglavnom pražnjenja koja rade pod atmosferskim pritiskom. Pražnjenja možemo podeliti u dve grupe gde je plazma u direktnom kontaktu sa tečnošću ili ne. Kao primer pražnjenja sa direktnim kontaktom tečnosti sa plazmom moguće je navesti, na primer, mlazno pražnjenje koje gori u odnosu na površinu tečnosti ili ispod njene površine kako je opisano u dokumentu CZ 307098, različita površinska pražnjenja na površini tečnosti pomenuta u dokumentima BRUGGEMAN, P.J., KUSHNER, M.J., LOCKE, B.R., et al., Plasma-liquid interactions: and review and roadmap, Plasma Sources Science and Technology, IOP Publishing, 2016, 25(5), 053002 i LUKEŠ, P., DOLEŽALOVÁ, E., SISROVA, I. i ČLUPEK, M., Aqueous-phase chemistry and bactericidal effects from an air discharge plasma in contact with water: evidence for the formation of peroxynitrite through a pseudo-second-order post-discharge reaction of H2O2 and HNO2, Plasma Sources Science and Technology, IOP Publishing, 2014, 13(1), 015019, eventualno pražnjenja dijafragme koja su opisana u publikaciji STARÁ, Z., KRCMA, F., NEJEZCHLEB, M. i SKALNÝ, J.D., Organic dye decomposition by DC diaphragm discharge in water: Effect of solution properties on dye removal, Desalination, 2009, 239(1-3), 283-294, dalje pražnjenja u mehuriće generisane protokom gasa opisanim u dokumentu PAV AT, J., HENSEL, K. i IHARA, S., Generation of oxidants and removal of indigo blue by pulsed power in bubbling and foaming systems, Czechoslovak Journal of Physics, 2006, 56(Supplement 2), B1174-B1178, ili toplotom električnom strujom pobuđena pražnjenja opisana u članku LOCKE, B.R., LUKES, P. i BRISSET, J.-L., Elementary Chemical and Physical Phenomena in Electrical Discharge Plasma in Gas-Liquid Environments and in Liquids, Plasma Chemistry and Catalysis in Gases and Liquids, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2012, 185-241. U drugu kategoriju, dakle grupu pražnjenja bez direktnog kontakta sa tečnošću, možemo svrstati pražnjenja iznad površine tečnosti, eventualna pražnjenja u višefaznim sistemima tečnosti gde se tečnost raspršuje u aerosol ili paru i pražnjenje sagoreva u ovom aerosolu kako je opisano, na primer, u odeljku MACHALA, Z., TARABOVA, B., SERSENOVA, D., JANDA, M. a HENSEL, K., Chemical and antibacterial effects of plasma activated water: correlation with gaseous and aqueous reactive oxygen and nitrogen species, plasma sources and air flow conditions, Journal of Physics D: Applied Physics, 2018, 52(3), 034002. Jedan od nedostataka je, na primer, nemogućnost prerade tečnosti koje ne podnose više temperature.

Upotreba gore navedenih indukovanih pražnjenja je prilično značajno ograničena i malom interaktivnom površinom plazme u poređenju sa kapacitetom tečnosti tretirane plazmom. Štaviše, neka pražnjenja, posebno mlazna pražnjenja, za svoj rad zahtevaju skupe gasove kao što su, na primer, argon ili helijum i to je u stvarnosti moguće samo u tehnologijama gde je potrebno tretirati male količine tečnosti sa visokom dodatom vrednošću tretmana plazmom, pa se ovi tipovi pražnjenja ne mogu koristiti u primenama gde su glavni kriterijumi troškovi.

Problem paljenja pražnjenja u tečnostima je neophodnost izuzetno visokog intenziteta električnog polja, većeg od 1 MV/cm za pobuđivanje lavinske jonizacije koja dovodi do električnog kvara.

Praktično se stoga koristi trik sa stvaranjem gasovitih mikro mehurića u oblasti pražnjenja, pri čemu se kritična vrednost kvara električnog polja smanjuje ispod 10kV/cm. Kada se koristi omsko zagrevanje, količina energije koja se koristi samo za isparavanje tečnosti i stvaranje mehurića je do 95% ukupnog ulaza. Moguće rešenje ovog nedostatka je veštačko upumpavanje gasova u vidu mikromehurića u tečnost, i to preko visokonaponske elektrode ili u prostor pražnjenja. Komplikacija za paljenje pražnjenja na ovaj način često je visoka električna provodljivost tečnosti koja omogućava da se dostigne probojni intenzitet električnog polja samo u kapacitetu od svega nekoliko mehurića. Shodno tome, dobijena plazma je veoma nehomogena, filamentarna i prostorno ograničena. Ovo se rešava ekscitacijom plazme u vidu VN impulsnog punjenja gde je energija u impulsu ogromna i na taj način je moguće stvoriti pražnjenje u mehurićima. Međutim, impulsno pražnjenje ima prilično visoke troškove povezane sa visokom nabavnom cenom punjenja visokonaponskih impulsnih izvora kao i pristekle značajne troškove posebno za modifikaciju ove tehnologije za veće kapacitete.

Generisanje plazme u tečnostima prati sonoluminiscencija koja se javlja prilikom implozije mehurića pare u tečnostima gde su ovi mehurići generisani visokofrekventnim talasima bez spoljne primene električnog polja što dovodi do proizvodnje mehurića plazme veličine reda 1µm i životnog ciklusa oko 100ps.

Analogni tip mehurića moguće je generisati i brzim protokom tečnosti kroz kontrakciju odgovarajućeg oblika kada se pojavi takozvana hidrodinamička kavitacija. U člancima IHARA, S., HIROHATA, T., KOMINATO, Y., YAMABE, C., IKE, H., HAKIAI, K., HIRABAYASHI, K. i TAMAGAWA, M., Water Treatment Using Discharge Generated in Cavitation Field with Micro Bubble Cloud, Electrical Engineering in Japan, Wiley Periodicals, 2014, 186(4), 1-10 i IHARA, S., SAKAI, T., YOSHIDA, Y. i NISHIYAMA, H., Fundamental characteristics of discharge plasma generated in a water cavitation field, Journal of Electrostatics, Elsevier, 2018, 93, 110-117 opisan je raspored gde se par VN elektroda postavlja van oblikovane kontrakcije čije je elektromagnetno polje okomito na smer protoka tečnosti u cevi i na taj način formiranom kavitacionom oblaku mogu da zapale intenzivnu ali prostorno ograničenu plazmu, čime samo dolazi do loše prerade tečnosti. Uređaj koji je opisan u dokumentu US 2009/0071910 uvek se bazira na dve elektrode (pod naponom i uzemljenje) koje su prisutne u oblasti kavitacije i dalje ne omogućava ulazak gasova ili čvrstog praha u oblast pražnjenja plazme. U publikaciji KA, Y., OHNISHI, K., ASAMI, K., et al, Dispersion of carbon nanotubes into water without dispersant using cavitation bubble plasma, Vacuum, Elsevier, 2017, 136, 209-213 [9] pomenuta je konstrukcija gde je za formiranje kavitacionog oblaka korišćen rotirajući cilindar sa obrtajima 7200 o/min, takođe ovde su obe napajane elektrode postavljene direktno u kavitacioni oblak, a tako nastala plazma je, takođe, bila izrazito nehomogena.

Primer prerade tečnosti korišćenjem pražnjenja plazme u kombinaciji sa kavitacijom koja se javlja u pojasu toka tečnosti je stavljen na uvid javnosti u: $

KEN-ICHI KUDO ET AL: „Oxidative DNA damage caused by pulsed discharge with cavitation on the bactericidal function“,JOURNAL OF PHYSICS D: APPLIED PHYSICS, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol.48, br.36, 12. avgust 2015. (2015-08-12), strana 365401.

Ekstremni primer stvaranja mehurića u tečnostima je formiranje pene koja je termodinamički nestabilna koloidna struktura sa visokom koncentracijom dispergovanog gasa. Ovo je, dakle, dvofazni sistem gde je voda prisutna u obliku tanke membrane koja je odvojena mehurićima gasa. Pena se može proizvesti mućenjem, upumpavanjem gasa, mućkanjem ili usisavanjem. Sve zavisi od karakteristika tečnosti, temperature, pritiska, prisustva različitih surfaktanata i tako dalje. U takvom penastom okruženju, moguće je jednostavno zapaliti pražnjenje i prerada tečnosti je visoko efikasna i do 10x bolji nego kod gore navedenih pražnjenja. Nedostatak je tada neophodnost snabdevanja velikom količinom gasa, energetska zahtevnost proizvodnje pene, posebno kada karakteristike tečnosti sprečavaju stvaranje pene i pored toga ne velika pogodnost upotrebe u većim količinama.

Cilj pronalaska je da se eliminišu gore opisani nedostaci poznatih konstrukcija i kreira takav postupak prerade plazmom tečnosti i uređaj za generisanje plazme na niskim temperaturama u tečnostima koji bi bio univerzalno pogodan za industrijsku preradu plazmom različitih tipova tečnosti sa širokim spektrom karakteristika i provodljivosti uključujući tečnosti sa dispergovanim prahovima koji ne bi imao potrebu za radnim gasom, bio bi energetski, prostorno i investiciono skroman, generisao bi plazmu u celom preseku dopremane tečnosti i omogućio jednostavno dimenzionisanje i skaliranje za različite protoke.

Suština pronalaska

U prvom aspektu, pronalazak stavlja na uvid javnosti uređaj za preradu tečnosti prema patentnom zahtevu 1.

U drugom aspektu, pronalazak stavlja na uvid javnosti postupak za preradu tečnosti prema patentnom zahtevu 8.

Pogodne realizacije su stavljene na uvid javnosti u zavisnim patentnim zahtevima.

Predmetnim pronalaskom postiže se veća efikasnost jer se pri upotrebi elektrode sa punim napajanjem električno se pobuđuje pražnjenje u razblaženim parama tečnosti bez pristupa vazduha što je pogodno za zapaljive tečnosti i disperzije. Takođe, plazma sagoreva u superkavitaciji iz napajane elektrode do kapaciteta tečnosti i za različite provodljivosti tečnosti nije potrebno optimizovati rastojanje elektroda. Provodljivost tečnosti utiče samo na dužinu zone sa napajanom plazmom, odnosno na održavanje konstantnih performansi, tako da nije potrebno optimizovati rastojanje elektroda za dati medijum sa različitim parametrima. U slučaju upotrebe šuplje napajane elektrode moguće je usisavanje u tekući tečni gas reakcione tečnosti ili čestica u obliku praha koji se zatim raspršuju u radnu tečnost i posledično tretiraju formiranom plazmom u superkavitaciji. U slučaju upotrebe čak i šuplje elektrode za uzemljenje moguće je tretirati i čvrste neprovodne materijale u obliku vlakana ili šipki.

Pojašnjenje crteža

Konkretni primeri projekta pronalaska su šematski prikazani na priloženim crtežima gde:

Slika 1 je šematski crtež uređaja u režimu kavitacije,

Slika 2 je šematski crtež uređaja u režimu superkavitacije,

Slika 3 je šematski crtež uređaja sa alternativnim projektom elektrode za uzemljenje, Slika 4 je šematski crtež uređaja sa dodatnim ejektorom i

Slika 5 je šematski crtež uređaja sa ultrazvučnim generatorom povezanim sa elektrodom za uzemljenje.

Crteži koji prikazuju predmetni pronalazak i posledično opisani primeri posebnog projekta ni u kom slučaju ne ograničavaju stepen zaštite koji je definisan patentnim zahtevima.

Primeri realizacije:

Uređaj za praćenje postupka prerade tečnosti se sastoji, u osnovnoj konstrukciji koja je prikazana na Sl.1, od u nizu međusobno povezanih regulatora 1 pritiska i kavitacione cevi 2 koja je formirana tako što su serijski spojene jedna na drugu cilindrična ulazna komora 21, konfuzor 22, cilindrična radna komora 23, difuzor 24 i cilindrična komora 25 za pražnjenje. U ulaznoj komori 21 je upravno na uzdužnu osu kavitacione cevi 2 postavljen nosač 31 elektrode na koji je pričvršćena duguljasta napajana elektroda 3 postavljena na uzdužnoj osi ulazne komore 21 i dopire slobodnim krajem u radnu komoru 23, dok je napajana elektroda 3 električno provodljivo povezana sa nosačem 31 elektrode, ipak oba elementa 3 i 31 su električno izolovana od tela kavitacione cevi 2. Na nosač 31 elektrode je priključen izvor 4 visokog napona kojim se preko nosača 31 elektrode napaja napajana elektroda 3. U komori 25 za pražnjenje postavlja se elektroda 5 za uzemljenje uz čiju pomoć se uzemljuje i tečnost koja teče u kavitacionoj cevi 2. Kružni oblik poprečnog preseka kavitacione cevi 2 nije jedini moguć projekat, jer poprečni presek kavitacione cevi 2 može imati proizvoljan oblik.

Alternativno su nosači 31 elektrode i napajana elektroda 3 napravljeni šuplji sa formiranom zajedničkom neprikazanom prolaznom šupljinom koja je sa jedne strane otvorena iz kavitacione cevi 2, a sa druge strane na slobodnom kraju napajane elektrode 3 seže u radnu komoru 23 kao što je prikazano na Sl.3 do 5.

Druga alternativa je konstrukcija elektrode 5 za uzemljenje kao dela školjke cilindrične komore 25 za pražnjenje kao što je prikazano na Sl.3.

Još jedna alternativa koja je prikazana na Sl. 4 je postavljanje ejektora 6 iza komore 25 za pražnjenje. Ejektor 6 je formiran od komore 61 za snabdevanje koji je povezan sa komorom 25 za pražnjenje i grlom 62. Iz komore 61 za snabdevanje je bočno izveden usisni cevovod 63 koji se otvara u grlo 62. Ejektor 6 može se alternativno zameniti neprikazanom pumpom.

Alternativno je elektroda 5 za uzemljenje projektovana kao oscilujući ultrazvučni vrh koji je povezan sa ultrazvučnim generatorom 8 kao što je prikazano na Sl.5.

U toku sprovođenja postupka prerade tečnosti prema Sl.1 je pomoću regulatora pritiska 1 zadržana takva vrednost pritiska tečnosti koja protiče kroz ulaznu komoru 21 u kavitacionu cev 2 da omogući, na mestu kontrakcije, stvaranje kavitacije ili superkavitacije. Tečnost je iz ulazne komore 21 odvedena u konfuzor 22 gde dolazi do značajnog povećanja njene brzine i istovremenog smanjenja pritiska, i to pod pritiskom zasićenih para. U ovom trenutku, u konfuzoru 22 počinju da se pojavljuju prvi mehurići koji velikom brzinom napreduju kroz radnu komoru 23, gde počinje da stvara kavitaciju. U difuzoru 24 dolazi, zahvaljujući odvajanju graničnog sloja, do sledećeg smanjenja pritiska i značajnog proširenja kavitacione zone koja ispunjava praktično ceo prostor difuzora 24 i napreduje čak u komoru 25 za pražnjenje gde dolazi do stvaranja kavitacionog oblaka 71. Možda dolazi do stvaranja superkavitacije 72 kada tečnost protiče samo kroz centralni deo komore 25 za pražnjenje, a oko nje je prostor potpuno ispunjen superkavitacionim medijumom kao što je prikazano na Sl. 2. Iz izvora 4 visokog napona čija se frekvencija kreće od 0 do 20MHz napaja se napajana elektroda 3 kroz čiji potencijal prema elektrodi 5 za uzemljenje je generisano elektromagnetno polje čiji je pravac paralelan sa pravcem protoka tečnosti. Kroz ovo elektromagnetno polje se zatim napajaju pražnjenja plazme koja gori u čitavoj oblasti kavitacije 71 ili superkavitacije 72.

U alternativnom projektu, kada su nosač 31 elektrode i elektroda 3 napravljeni šuplji, mogu se kroz šupljinu, koja se formira unutar njih, dovoditi u prostor stvaranja kavitacije 71 ili superkavitacije 72 gas ili čvrste čestice.

Industrijska upotrebljivost

Pronalazak je upotrebljiv za generisanje plazme niske temperature u tečnostima koja služi za tretman plazmom tečnosti ili suspenzije tečnosti koje sadrže biološke i hemijske zagađivače ili tečnosti koje sadrže dispergovane prahove, ali i za tretman neprovodnih materijala u vidu šipki i niti u tečnostima bez pristupa vazduha u higijenskoj industriji, hemijskoj industriji, građevinskoj industriji, prehrambenoj industriji i slično. Pronalazak je upotrebljiv za dekontaminaciju vode ne samo za otpadne vode, već i za sterilizaciju vode za piće i uslužne vode i dalje za preradu tečnosti na bazi ugljovodonika kao što su na primer ulja, boje i tako dalje.

Claims (13)

Patentni zahtevi

1. Uređaj za preradu tečnosti pomoću generisanja električno pokretanog pražnjenja plazme niske temperature u tečnom okruženju, gde je pri protoku tečnosti moguće ostvariti stvaranje kavitacije ili superkavitacije, dati uređaj koji obuhvata regulator (1) pritiska i kavitacionu cev (2) međusobno povezane u nizu, a kavitaciona cev 2) je formirana od ulazne komore (21), konfuzora (22), radne komore (23), difuzora (24) i komore (25) za pražnjenje međusobno spojenih dva po dva, pri čemu uređaj dalje obuhvata napajanu elektrodu (3) postavljenu u ulaznu komoru (21) po svojoj uzdužnoj osi u smeru protoka tečnosti, napajana elektroda (3) svojim slobodnim krajem seže u radnu komoru (23) i izvor (4) visokog napona na koji je napajana elektroda (3) električno provodljivo povezana, pri čemu je napajana elektroda (3) električno izolovana od kavitacione cevi (2), pri čemu uređaj dalje obuhvata elektrodu (5) za uzemljenje postavljenu u komoru (25) za pražnjenje i u električnom kontaktu je sa tečnošću.

2. Uređaj prema zahtevu 1, naznačen time, što je napajana elektroda (3) fiksirana na nosač (31) elektrode koji je postavljen unutar ulazne komore (21) pod pravim uglom na uzdužnu osu kavitacione cevi (2) od koje je električno izolovana, dok je napajana elektroda (3) sa držačem (31) elektrode i preko držača (31) elektrode električno povezana na izvor (4) visokog napona.

3. Uređaj prema zahtevu 2, naznačen time, što nosač (31) elektrode i napajana elektroda (3) su šuplji sa formiranom zajedničkom tranzitnom šupljinom koja je sa jedne strane otvorena iz kavitacione cevi (2), a sa druge strane na slobodnom kraju napajane elektrode (3) koja seže u radnu komoru (23).

4. Uređaj prema bilo kom od zahteva 1 do 3, naznačen time, što elektroda (5) za uzemljenje je napravljena kao deo školjke komore (25) za pražnjenje.

5. Uređaj prema bilo kom od zahteva 1 do 3, naznačen time, što elektroda (5) za uzemljenje je napravljena kao oscilujući ultrazvučni vrh koji je povezan sa ultrazvučnim generatorom (8).

6. Uređaj prema bilo kom od zahteva 1 do 5, naznačen time, što je iza komore (25) za pražnjenje postavljen ejektor (6) formiran od dovodne komore (61) koja je povezana sa komorom (25) za pražnjenje i grlom (62) odakle iz dovodne komore (61) ide usisni cevovod (63) koji vodi u grlo (62).

7. Uređaj prema bilo kom od zahteva 1 do 6, koji dalje obuhvata pumpu postavljenu iza komore (25) za pražnjenje i spojenu na kavitacionu cev (2).

8. Postupak prerade tečnosti pomoću uređaja prema zahtevima 1 do 7, pri čemu se plazma niske temperature generiše na mestu nastanka kavitacije ili superkavitacije ili u blizini njenog stvaranja naspram toka tečnosti, u pravcu njenog toka, uz pomoć napajane elektrode (3) koja je smeštena u skladu sa protokom tečnosti, pri čemu je frekvencija visokovoltažnih pražnjenja u rasponu vrednosti od 0 do 20MHz.

9. Postupak prema zahtevu 8, naznačen time, što se plazma stimuliše ultrazvukom.

10. Postupak prema zahtevima 8 ili 9, naznačen time, što se u mesto nastanka kavitacije ili superkavitacije dovodi gas.

11. Postupak prema zahtevima 8 ili 9, naznačen time, što se u mesto nastanka kavitacije ili superkavitacije dovodi čvrsta supstanca u praškastom obliku.

12. Postupak prema zahtevu 11, naznačen time, što je čvrsta supstanca u praškastom obliku fotoreaktivna.

13. Postupak prema bilo kom od zahteva 8 do 12, naznačen time, što se tečnost usisava iz područja iza mesta nestanka kavitacije.